física moderna

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NOTAS DE AULAS DE FÍSICA MODERNA

Prof. Carlos R. A. Lima

CAPÍTULO 1

INTRODUÇÃO AO CURSO E

TEORIA DA RELATIVIDADE ESPECIAL

Edição de janeiro de 2009

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CAPÍTULO 1 – TEORIA DA RELATIVIDADE ESPECIAL

ÍNDICE 1.1- Introdução 1.2- Eventos Físicos e Sistemas de Referência 1.3- Transformação de Galileu e Relatividade de Newton 1.4- Eletromagnetismo e Relatividade de Newton 1.5- Experiência de Michelson - Morley 1.6- Tentativas para “Salvar o Éter” - FACULTATIVO 1.6.1- Hipótese da Contração de Lorentz - Fitzgerald 1.6.2- Hipótese do Arrastamento do Éter 1.7- Postulados da Teoria da Relatividade Especial 1.8- Cinemática Relativística 1.8.1- Sincronização e Simultaneidade 1.8.2- Transformações de Lorentz 1.8.3- Transformação de Velocidades 1.8.4- Diagramas Espaço – Tempo e Espaço de Minkowski 1.8.5- Dilatação dos Tempos e Contração dos Comprimentos 1.8.6- Técnicas Experimentais de Medidas de Espaço e Tempo em Relatividade – FACULTATIVO 1.8.6.1- Relógio de Luz 1.8.6.2- Relógio Atômico 1.8.7- Intervalo no Espaço – Tempo 1.8.8- Efeito Doppler na Relatividade 1.8.9- Paradoxo dos Gêmeos 1.9- Dinâmica Relativística 1.9.1- Momento Relativístico 1.9.2- Energia Relativística 1.9.3- Transformações das Grandezas Dinâmicas 1.9.4- Invariância da Energia de Repouso 1.9.5- Partículas sem Massa 1.10- Velocidades Superluminosas e Táquions Nessa apostila aparecem seções, sub-seções e exemplos resolvidos intitulados como facultativos. Os assuntos que se referem esses casos, podem ser dispensados pelo professor durante a exposição de aula sem prejuízo da continuidade do curso de Estrutura da Matéria. Entretanto, é desejável que os alunos leiam tais assuntos e discutam dúvidas com o professor fora do horário de aula. Fica a cargo do professor a cobrança ou não dos tópicos facultativos. Excluindo os tópicos facultativos, esse capítulo deve ser abordado no máximo em 7 aulas de quatro créditos.

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Lista de Exercícios

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s 1- A vida média própria dos píons é . Se um feixe de píons tiver a velocidade de

82,6 10−= ×pT v c0,85= ,

(a) qual seria o respectivo tempo de vida média T medido no laboratório? (b) Qual a distância que os píons percorreriam, em média, antes de decaírem? (c) Qual seria a sua resposta à indagação da parte (b) se você não levasse em conta a dilatação dos tempos? Resp.: (a) , (b)

L

84,94 10−= ×T s L m12,6= , (c) 6,63=L m . 2- Uma nave espacial parte da terra em direção à alfa do Centauro, que está a de distância. A nave espacial desloca-se com a velocidade . Quanto tempo leva a nave para chegar ao seu destino (a) no referencial da terra? (b) no referencial de um passageiro da nave? Resp. (a)

anos luz4 −v 0,75= c

os (b)os

s

t an5,33Δ = ,t an3,53′Δ =

3- Qual deve ser a velocidade de um múon para que a sua vida média seja v 46T μ= , sabendo-se que a vida média em repouso é T 2 sμ′ =

m

? Resp. v c0,9991= 4- Qual deve ser a velocidade de uma vara de um metro, no referencial de um observador, para que o seu comprimento, medido pelo observador, seja , quando a vara se move na direção do próprio eixo? Resp.:

. 50cm

m s82,6 10 /× 5- Observadores num referencial S vêem uma explosão localizada em x1 480= . Uma segunda explosão

ocorre Δt s= 5μ depois, em . Num referencial S', que se move sobre o eixo dos

x m2 1200=+x , com

velocidade v para a direita, um observador nota que as explosões ocorrem num mesmo ponto do espaço. Evidentemente, para ele é o referencial S que se move para a esquerda com uma velocidade v− como mostra a Figura ao lado. Qual a separação no tempo Δ ′t entre as duas explosões no referencial S'? Resp.: t s4,39μ′Δ = .

v−

S

′S

x m2 1200= v−

S

′S

x m1 480=

6- Os aviões supersônicos a jato têm velocidades máximas . (a) Qual a contração percentual v 63 10−= × c

( )p

p

L L

L100η

−= do comprimento de um jato que estiver com esta velocidade, visto num referencial ligado a

terra? (b) Durante um intervalo de tempo de 1 3 , marcado num relógio na terra, quantos minutos perdem o relógio do piloto em cada ano do relógio da terra? (Sugestão: Como , no item (b) adote a

aproximação

ano s7,15 10= ×cv <<

v v

c c

1 / 22 2

2 2

1 11 12γ

⎛ ⎞= − ≅ −⎜ ⎟⎝ ⎠

). Resp.: (a) , (b) 104,5 10 %η −= × T 62,37 10 min−Δ = ×

7- Um relógio está num satélite em órbita terrestre, com um período de T = 90min .Considerando o raio da

Terra e a velocidade do satélite RT = ×637 106. m vT

RT=2π

, qual é o intervalo de período ΔT que mede a

diferença entre a leitura deste relógio e a de um outro, idêntico a ele, que ficou na Terra, depois de um intervalo de tempo ?.(Sugestão: Observe que nesse caso e, portanto, t ano 71 3,16 10Δ = = × s cv <<

v vc c

1 / 22 2

2 21 11 1

2γ⎛ ⎞

= − ≅ −⎜ ⎟⎝ ⎠

). Resp.: Δ ≈ . T m9,64 s

8- Duas naves espaciais idênticas de comprimento de repouso de , aproximam-se uma da outra, com velocidade de em relação a terra. (a) Qual o comprimento de cada nave no referencial da terra? (b) Qual a velocidade de uma nave no referencial de um observador na outra nave? (c) Qual o comprimento de uma das naves no referencial de um observador na outra nave? (d) Na terra, em

m100c0,8

t 0= , as proas das naves estão no mesmo ponto, pois neste instante uma começa a passar pela outra. Em que instante, na terra, as popas coincidem? (e) Fazer um desenho em escala, no referencial de uma das naves, da passagem da outra nave, desde a proa até a popa, para visualizar a contração dos comprimentos. 9- Uma nave espacial desloca-se da terra para um sistema estelar à distância de L c anos12 .= (medida no referencial da terra). A viagem leva um tempo t ano15 s′Δ = , no referencial da nave. (a) Qual a velocidade da nave em relação a terra? (b) Quando a nave chega ao seu destino, envia um sinal para a terra. Quantos anos se passam até que a terra receba este sinal? (Sugestão: Considere a duração

v

Δt da viagem da nave no referencial da terra no cálculo do tempo total para o sinal chegar a terra). Resp.: (a) v c0,625= , (b)

. T t anos ano12 31,2= Δ + = s

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000 /s

10- Duas naves espaciais estão se aproximando uma da outra. (a) Se a velocidade de cada uma delas for 0, , em relação a terra, qual é a velocidade de uma em relação à outra? (b) Se a velocidade de cada uma delas em relação a terra for 30 (cerca de 100 vezes a velocidade do som), qual a velocidade de uma em relação à outra? Resp.: (a) , (b) u m .

c

m s

xu c0,882= − 460000 6 10 /−≈ − + ×x

11- Mostrar que se uma partícula se move sob um ângulo θ com o eixo dos x , com a velocidade num referencial , então ela deve se mover com um ângulo

uS θ ′ com o eixo dos em x′ S′dado, por

( )sen

tgv ucos

θθγ θ

′ =−

, onde é um referencial com velocidade em . S′ v S

12- Uma vara de comprimento próprio faz o ângulo Lp ′θ com o eixo dos x′ num referencial . O referencial S′ S′ move-se para a direita com velocidade , em relação a um referencial . A Figura abaixo mostra o ponto de vista do referencial , onde é o referencial que se move para a esquerda com velocidade .

v SS′ S v−

θ ′ S′

y′

x′

Lp

θ

x

y y′=

S

v− L

Mostrar que o angulo θ que a vara faz com o eixo x no referencial é S tg tgθ γ θ ′= e que o comprimento da

vara em é S pL L sen22

1 cos 2θ θγ

′= + ′ . (Sugestão: Note que pLL

γ≠ mas

xx

γ′

= , pois aqui somente a

componente x do comprimento da vara está na direção do movimento). 13- A equação da frente de onda esférica de um pulso de luz que principia na origem, no instante 0t = é

. Usando a transformação de Lorentz, mostrar que ( )22 2 2 0+ + − =x y z ct ( )22 2 2 0′ ′ ′ ′+ + − =x y z ct , ou seja,

que o pulso de luz é uma frente de onda esférica também no referencial S ′ .

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14- Dois eventos em estão separados pela distancia S 2 1D x x= − e pelo intervalo de tempo T t2 1t= − . (a) Usar a transformação de Lorentz para mostrar que no referencial S ′ , que se move com a velocidade v em , a S

separação no tempo é vD

T Tc2γ ⎛ ⎞′ = −⎜ ⎟

⎝ ⎠, onde 2 1T t t′ ′ ′= − é o intervalo de tempo medido em S ′ . (b) Mostrar

que os eventos podem ser simultâneos e independentes no referencial S ′ somente se . (c) Se um dos eventos for a causa do outro (eventos dependentes), deve-se ter

D cT>D cT< pois é o menor tempo que um

sinal leva para percorrer a distancia entre /D c

1x e 2x no referencial . Mostrar que se , então S D cT< 2t t1′ ′> em todos os referenciais. Isto mostra que se uma causa precede o seu efeito, num certo referencial, a mesma causa precederá o seu efeito em todos os outros referenciais. (Sugestão: Isole o termo cT na equação

vDT T

c2γ ⎛ ⎞′ = −⎜⎝ ⎠

⎟ , imponha a condição que D cT< e mostre que 2 1 0T t t′ ′ ′= − > , isto é, que 1t 2′t′ < em S ′ ). (d)

Suponha que um sinal pudesse ser enviado com velocidade c c′ > , de modo que no referencial S a causa precedesse o efeito pelo tempo /T D c′= . Mostrar que há então um referencial que se move com a velocidade

no qual o efeito precede a causa. (Sugestão: Substitua v c< / ′=T D c na equação vD

T Tc2γ ⎛ ⎞′ = −⎜

⎝ ⎠⎟ , isole o

termo c , imponha a condição e mostre que ′ c c′ > 2 1 0T t t′ ′ ′= − < , isto é, que 2t t1′ ′< em ). S ′ 15- Um amigo da sua idade viaja para Alfa do Centauro, a 4 −anos luz = 4 . de distância, e volta imediatamente. Ele afirma que a viagem durou apenas . (a) Com que velocidade seu amigo viajou? (b) Qual a diferença de idade entre vocês dois quando voltaram a se encontrar? (c) Desenhe um diagrama espaço - tempo para confirmar as respostas dos itens (a) e (b).

c anos6anos

16- No referencial , o evento S B ocorre 2 sμ depois do evento A e a uma distância deste evento. (a) Qual deve ser a velocidade de um observador num referencial

1,5D k= mS ′ no sentido positivo do eixo x para que os dois

eventos ocorram simultaneamente nesse referencial? (b) É possível que o evento B preceda o evento A para algum observador? (c) Desenhe um diagrama espaço – tempo que ilustre as respostas dos itens (a) e (b). (d) Determine o valor do intervalo no espaço – tempo e a distância própria entre os eventos. 17- Os referenciais e estão se movendo com os eixos S S ′ x e x′ paralelos. Seus relógios são ajustados para

no momento em que as origens dos dois referenciais coincidem. No referencial , o evento t t= ′ = 0 S A ocorre em 1 1 1 .x ano luz c ano= − = e t e o evento ano1 1= B ocorre em 2 2 2 .x anos luz c anos= − = e t anos2 0 5= , . Estes eventos ocorrem simultaneamente no referencial S´. (a) Mostre esses eventos num diagrama espaço - tempo (b) Determine o módulo e direção da velocidade de S ′ em relação a . (c) Em que instantes estes eventos ocorrem no referencial ? (d) O intervalo no espaço – tempo

SS ′ sΔ é do tipo espacial, temporal ou luminoso? Qual é

o valor de ? Qual é a distância própria entre os eventos? sΔ Lp

18- Uma estudante, na Terra, ouve num rádio uma gravação que parece estar sendo tocada num disco que gira muito depressa. A gravação é de um disco que está sendo tocado por uma emissora de uma nave espacial, que se aproxima da terra com a velocidade v . Tendo um disco de 33 rpm, da mesma gravação, a estudante observa que o som é o mesmo que o do seu disco tocado a 78 rpm, isto é, a razão entre a freqüência de aproximação ν ap e a

freqüência emitida ν é dada por 78 33. Qual deve ser a velocidade da nave? Resp.: . v c0,696=

19- Uma galáxia distante se afasta da Terra com a velocidade v . Calcular o deslocamento

relativo para o vermelho

m s71,85 10 /= ×

( )afλ λλ−

na luz proveniente da galáxia. Resp.: . 0,0637

20- A luz do sódio, de comprimento de onda 589λ = nm , está sendo emitida por uma fonte que se afasta da terra com a velocidade v . Qual deve ser o valor desta velocidade, se o comprimento de onda medido no referencial da terra é λaf nm= 620 . Resp.: . v c0,0512=

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eV21- Um elétron, com energia de repouso 0 0,511E M= , move-se com a velocidade u . (a) Achar a

energia total, (b) a energia cinética e (c) o momento. Resp.: (a)

0,2c=E MeV= 0 522, , (b) , (c) K M0,011= eV

p MeV c0,106 /= . 22- Um próton, com a energia de repouso de 0 938=E MeV , tem a energia total 1400E MeV= . (a) Qual a sua

velocidade? (b) Qual o seu momento? Resp.: (a) u c0,74= , (b) p MeV c1034 /= . 23- Qual a energia cinética K que seria necessária para acelerar uma partícula de massa de repouso desde o

repouso até a velocidade de (a) (b) 0m

u c0,5= u 0,9c= e (c) u c0,99= ? Exprimir as respostas como múltiplos da energia de repouso . Resp.: (a) , (b) 0E K E= 0 155 0, K E= 1 294 0, , (c) K E= 6 089 0, . 24- Se a energia cinética K de uma partícula for igual à sua energia de repouso , qual o erro que se comete

em usar 0E

p p m v0 0= = como o seu momento? Resp.: erro = 50% .

25- Qual o erro percentual que se comete tomando-se m v20

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como a energia cinética de uma partícula quando

a sua velocidade for (a) v e (b) c c0,1= v 0,9= . Resp.: (a) erro = 0 751%, , (b) . erro = 68 7%, 26- O sol irradia energia à taxa de 264,0 10P W= × , aproximadamente. Vamos admitir que esta energia seja originada por uma reação nuclear cujo resultado é a fusão de 4 núcleos de H para formar um núcleo de He , com a libertação de de energia por núcleo de E MeV0

1225 4 10= = × − J He formado. Calcular o número N E E P t E= =Δ Δ0 0 0

V

de reações nucleares e a perda da massa em repouso , ocorridas no sol

durante um dia ou .

ΔM Nm0 =Δt s= ×8 64 104,

27- Uma partícula, que tem energia de repouso de 01 1E Me= e energia cinética 1 2K MeV= , colide com uma

partícula estacionária de energia de repouso de 02 2E MeV= . Depois da colisão, as partículas ficam unidas, como mostra a Figura ao lado. Achar (a) a velocidade da primeira partícula antes da colisão, (b) a energia total da primeira partícula antes da colisão, (c) o momento total inicial do sistema, (d) a energia cinética total depois da colisão e (e) a massa em repouso do sistema depois da colisão. Resp.: (a) u c1 0 943= , , (b)

(c) , (d) , (e) .

E MeV1 3= , p M

1 2K MeV= 01 1E MeV=

02 2E MeV=

Antes Depois

0 , fK E

eV1 2 83= , M c MeV02 4 12= ,

eVc/

K Mf = 0 88, 28- O raio da órbita de uma partícula carregada, num campo magnético B , está relacionado com o momento da partícula por p BqR= . Esta equação vale classicamente com 0p m u= e relativisticamente com

p m uu c

=−

02 21

. Um elétron com a energia cinética K MeV= 1 50, , se desloca sobre uma órbita circular

perpendicular a um campo magnético uniforme B T= × −5 10 3 . (a) Achar o raio da órbita. (b) Qual o resultado que seria obtido se fosse usada a relações clássicas 0p m u= e 2

02K p m= ? Considere nos cálculos

, para a carga do elétron, m para a massa do elétron e e = × −1 6 10 19, C Kg319,1 10−= × eVe E M0 0,511= para a energia de repouso do elétron. Resp.: R m= 1 3, , (b) R m= 0 826, . 29- Numa simples experiência imaginária, Einstein mostrou que existe uma massa associada à radiação eletromagnética. Seja uma caixa de comprimento L e massa sobre uma superfície sem atrito. Na parede M

esquerda da caixa está uma fonte luminosa que emite radiação de energia que é absorvida pela parede direita da caixa. De acordo com a teoria eletromagnética clássica, esta radiação é portadora de um momento cujo módulo

é

E

Ep c= . (a) Achar a velocidade de recuo da caixa de modo que o momento seja conservado quando a luz for

emitida. Como é pequeno e é grande, o cálculo pode ser feito usando a mecânica clássica. (b) Quando a luz for absorvida na parede da direita da caixa, a caixa pára tal que, o momento total permanece nulo. Se a velocidade, muito pequena da caixa, for desprezada, o tempo que a radiação leva para cobrir o comprimento da

caixa é

p M

Lt cΔ = . Achar a distância que a caixa percorre neste intervalo de tempo. (c) Mostrar que, se o

centro de massa

xΔ

CM

Mx mxx

M m1 +=+

2 do sistema permanece imóvel, como se espera, a radiação deve ter uma

massa Emc2

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